JP6327887B2

JP6327887B2 - Electric motor and electric motor system

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Publication number: JP6327887B2
Application number: JP2014042114A
Authority: JP
Inventors: 紘也杉元; 千葉　明; 明千葉
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: JP2015171165A

Description

本発明は、回転子が磁気力を発生しながら回転する電動機およびこれを備える電動機システムに関する。 The present invention relates to an electric motor in which a rotor rotates while generating a magnetic force, and an electric motor system including the electric motor.

電動機部と磁気軸受部を磁気的に一体化させたベアリングレスモータは、回転子が磁気力を発生して浮上しながら回転する電動機であり、回転子に機械的な接触部分がないので、無摩擦、無摩耗、メンテナンスフリーという利点がある。 A bearingless motor in which the motor part and the magnetic bearing part are magnetically integrated is an electric motor that rotates while the rotor generates magnetic force and floats. There are advantages of friction, no wear, and maintenance-free.

ベアリングレスモータにおいて回転子を磁気浮上させるには、回転子の回転方向θｚ以外の、径方向ｘおよびｙ、軸方向ｚ、傾き方向θｘおよびθｙを、能動的もしくは受動的な磁気支持力により、安定させる必要がある。 In order to make the rotor magnetically levitated in the bearingless motor, the radial direction x and y, the axial direction z, and the tilt directions θx and θy other than the rotation direction θz of the rotor are made active or passive magnetic support force. Need to stabilize.

例えば、１軸制御ベアリングレスモータの場合、軸方向ｚのみを能動的に制御し、径方向ｘおよびｙならびに傾き方向θｘおよびθｙについては永久磁石などを用いて受動的に安定させている（例えば、非特許文献１参照。）。したがって、変位センサは軸方向ｚを計測する１台のみですみ、またインバータの数も削減できるので、２軸制御ベアリングレスモータや５軸制御ベアリングレスモータに比べて低コストである。 For example, in the case of a single-axis control bearingless motor, only the axial direction z is actively controlled, and the radial directions x and y and the tilt directions θx and θy are passively stabilized using permanent magnets (for example, Non-patent document 1). Accordingly, only one displacement sensor is required to measure the axial direction z, and the number of inverters can be reduced, so that the cost is lower than that of a 2-axis control bearingless motor or a 5-axis control bearingless motor.

１軸制御ベアリングレスモータの応用分野としては、冷却ファンや人工心臓用の遠心ポンプなどが考えられているが、これらの分野では、軸長を短くしなければならないという制約がある。しかしながら、１軸制御ベアリングレスモータは、一般的に、傾き方向θｘおよびθｙの受動安定化のために、軸長を長く設計する場合が多く、軸長の短縮は容易でない。 As an application field of the single axis control bearingless motor, a cooling fan, a centrifugal pump for an artificial heart, and the like are considered. However, in these fields, there is a restriction that the shaft length must be shortened. However, in general, a single-axis control bearingless motor is often designed to have a long shaft length for passive stabilization in the tilt directions θx and θy, and it is not easy to shorten the shaft length.

１軸制御ベアリングレスモータとして、モータの両端に反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）を配置し、さらにその片端にスラスト磁気軸受を配置する磁気軸受モータがある（例えば、非特許文献２参照。）。 As a single-axis control bearingless motor, there is a magnetic bearing motor in which repulsive passive magnetic bearings (RPMB) are disposed at both ends of the motor and a thrust magnetic bearing is disposed at one end thereof (see, for example, Non-Patent Document 2).

同じく、モータの両端に反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）を配置した１軸制御ベアリングレスモータがある（例えば、非特許文献３参照。）。 Similarly, there is a uniaxial control bearingless motor in which repulsive passive magnetic bearings (RPMB) are arranged at both ends of the motor (see Non-Patent Document 3, for example).

また例えば、回転子の軸長を長くし、ギャップ面に永久磁石を貼り付けることで、モータと受動型磁気軸受が一体化された構造を有するアキシャルギャップ型のシングルドライブベアリングレスモータが提案されている（例えば、非特許文献４参照。）。このモータでは、固定子には一種類の巻線のみが設けられおり、１台のインバータにより、巻線にｄ軸電流を流すことにより軸方向の能動的な支持力を発生させ、ｑ軸電流を流すことにより回転トルクを発生させることができる。 Also, for example, an axial gap type single drive bearingless motor having a structure in which a motor and a passive magnetic bearing are integrated by increasing the axial length of a rotor and attaching a permanent magnet to a gap surface has been proposed. (For example, see Non-Patent Document 4). In this motor, only one type of winding is provided in the stator, and an active supporting force in the axial direction is generated by flowing d-axis current through the winding by one inverter, and q-axis current is generated. To generate rotational torque.

また例えば、１台のインバータにより駆動可能なシングルドライブベアリングレスモータとして、モータの両端に反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）を配置し、径方向および傾き方向の剛性を向上させたモータが提案されている（例えば、非特許文献５参照。）。これによれば、受動安定方向の剛性を高めるにつれて不安定な軸方向力も増加するという問題があるものの、モータ構造そのものを工夫することにより、不安定力に打ち勝つ能動的な磁気支持力を発生させることが可能となった。 Also, for example, as a single drive bearingless motor that can be driven by a single inverter, a motor is proposed in which repulsive passive magnetic bearings (RPMB) are arranged at both ends of the motor and the rigidity in the radial direction and the tilt direction is improved. (For example, see Non-Patent Document 5.) According to this, although there is a problem that the unstable axial force increases as the rigidity in the passive stable direction increases, an active magnetic support force that overcomes the unstable force is generated by devising the motor structure itself. It became possible.

例えば、内側に受動安定化のための反発磁石を設け、外側で軸方向の支持力およびトルクを発生させる二重ラジアルギャップ構造であるベアリングレスモータが提案されている（例えば、非特許文献６参照。）。 For example, a bearingless motor having a double radial gap structure in which a repulsion magnet for passive stabilization is provided on the inside and axial support force and torque are generated on the outside has been proposed (for example, see Non-Patent Document 6). .)

Ｔ．オウジ（Ｔ．Ｏｈｊｉ）、Ｔ．カツダ（Ｔ．Ｋａｔｓｕｄａ）、Ｋ．アメイ（Ｋ．Ａｍｅｉ）、Ｍ．サクイ（Ｍ．Ｓａｋｕｉ）著、「表面貼付型磁石１軸制御反発型磁気ベアリングシステムの構造、ならびにおよびその浮上および回転の試験（ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＯｎｅ−ＡｘｉｓＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＲｅｐｕｌｓｉｖｅＴｙｐｅＭａｇｎｅｔｉｃＢｅａｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＷｉｔｈＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔｓＩｎｓｔａｌｌｅｄａｎｄＩｔｓＬｅｖｉｔａｔｉｏｎａｎｄＲｏｔａｔｉｏｎＴｅｓｔｓ）」、（米国）、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、磁気学（Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）、Ｖｏｌ．４７、Ｎｏ．１２、ｐｐ４７３４〜４７３９、２０１１年１２月T.A. T. Ohji, T. T. Katsuda, K. K. Amei, M.M. M. Sakui, “Structure of Surface-Attached Magnet Uniaxial Controlled Repulsive Magnetic Bearing System, and Its Levitation and Rotation Testing It's Levitation and Rotation Tests ", (USA), Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Transactions, Magnetics, Vol. 47, no. 12, pp 4734-4739, December 2011 Ｓ. ヤン（Ｓ. Ｙａｎｇ）、Ｍ. ファング（Ｍ. Ｈｕａｎｇ）著、「磁気浮上１軸制御された軸方向血液ポンプの設計および実現（ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＭａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙＬｅｖｉｔａｔｅｄＳｉｎｇｌｅ−ＡｘｉｓＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＡｘｉａｌＢｌｏｏｄＰｕｍｐ）」、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、産業電気（ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．６、ｐｐ２２１３〜２２１９、２００９年６月S. Yang, M. Huang, “Design and Implementation of a Magnetically Liberated Single-Axis Controlled Axis Controlled Axial Blood Pump ) "Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE Transactions), Industrial Electronics, Vol. 56, no. 6, pp 2213-2219, June 2009 湯本淳史、進士忠彦著、「軸方向制御型磁気軸受モータを搭載した小型遠心血流ポンプ」、日本機械学会論文集Ｃ編、第７８巻、第７９２号、ｐｐ．３０６４〜３０７２、２０１２年８月Yumoto Satoshi, Shinji Tadahiko, “Small Centrifugal Blood Pump with Axial Control Type Magnetic Bearing Motor”, Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, C, Vol. 78, No. 792, pp. 3064-3072, August 2012 Ｊ．アサマ（Ｊ．Ａｓａｍａ）、Ｙ．ハマサキ（Ｙ．Ｈａｍａｓａｋｉ）、Ｔ．オオイワ（Ｔ．Ｏｉｗａ）、Ａ．チバ（Ａ．Ｃｈｉｂａ）著、「シングルドライブベアリングレスモータの新しいコンセプト（ＡＮｏｖｅｌＣｏｎｃｅｐｔｏｆａＳｉｎｇｌｅ−ＤｒｉｖｅＢｅａｒｉｎｇｌｅｓｓＭｏｔｏr）」、（米国）、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、産業電気（ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、Ｖｏｌ．６０、Ｎｏ．１、ｐｐ１２９〜１３８、２０１３年１月J. et al. Asama (J. Asama), Y. Y. Hamasaki, T .; T. Oiwa, A. et al. A. Chiba, “A Novel Concept of a Single-Drive Bearingless Motor” (USA), Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE Transactions), Industrial Electric (Industrial Electric) ), Vol. 60, no. 1, pp 129-138, January 2013 Ｈ.スギモト（Ｈ.Ｓｕｇｉｍｏｔｏ）、Ｓ.タナカ（Ｓ.Ｔａｎａｋａ）、Ａ.チバ（Ａ.Ｃｈｉｂａ）、Ｊ.アサマ（Ｊ.Ａｓａｍａ）、「新規な円筒状ラジアルギャップ型シングルドライブベアリングレスモータの設計および試験結果（ＤｅｓｉｇｎａｎｄＴｅｓｔＲｅｓｕｌｔｏｆＮｏｖｅｌＳｉｎｇｌｅ−ＤｒｉｖｅＢｅａｒｉｎｇｌｅｓｓＭｏｔｏｒｗｉｔｈＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＲａｄｉａｌＧａｐ）」、米国電気学会エネルギー変換器会議・博覧会（ＩＥＥＥＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓ. Ｃｏｎｇｒ. ａｎｄＥｘｐｏ（ＥＣＣＥ）議事録、ｐｐ.２４６６-２４７３、２０１３H. Sugimoto, S. Tanaka, A. Chiba, J. Asama, “The new cylindrical radial gap type single drive bearingless motor Design and Test Results of Novel Single-Driving Bearingless Motor with Cylindrical Radial Gap, IEEJ Energy Converter Conference and Expo (IEEE Energy Conx. 2466-2473, 2013 Ｗ．バウワー（Ｗ．Ｂａｕｅｒ）他著、「ベアリングレスアキシャルフォース／トルクモータの電気的設計および巻線選択（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｗｉｎｄｉｎｇｓｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒａｂｅａｒｉｎｇｌｅｓｓＡｘｉａｌ−Ｆｏｒｃｅ／ＴｏｒｇｕｅＭｏｔｏｒ）」、パワーエレクトロニクス, ドライブ, モーションコントロールに関する国際会議（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＤｒｉｖｅｓ，ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＭｏｔｉｏｎ：ＳＰＥＥＤＡＭ）議事録、ｐｐ１２２４〜１２２９、２０１２年W. W. Bauer et al., “Electrical design and winding selection Axial-Force / Torgue Motor”, Power Electronics, Drive, Motion, Drive Electronics, Bearingless Axial Force / Torque Motor Electrical Design and Winding Selection Minutes of International Symposium on Power Electronics, Electric Drives, Automation and Motion: SPEEDAM, pp 1224-1229, 2012

非特許文献３に記載された技術によれば、径方向の端部に反発磁石を用いて傾き方向を安定化させることで軸長を短縮することができるが、回転子の回転駆動用とインバータとスラスト磁気軸受用の、少なくとも２台のインバータを設ける必要があり、高コストである。また、反発磁石は半径方向に対して負剛性であるため、半径方向の剛性が低下し、半径方向の振動が大きくなる問題がある。 According to the technique described in Non-Patent Document 3, the axial length can be shortened by stabilizing the tilt direction by using a repulsive magnet at the end portion in the radial direction. It is necessary to provide at least two inverters for the thrust magnetic bearing, which is expensive. Further, since the repulsive magnet has a negative rigidity in the radial direction, there is a problem that the radial rigidity is lowered and the radial vibration is increased.

また、非特許文献４に記載された技術によれば、上述のモータと受動型磁気軸受が一体化された構造を有するアキシャルギャップ型のシングルドライブベアリングレスモータによれば、１台のインバータで回転子の回転駆動および磁気支持に対応できるものの、傾き方向の安定化のためには、回転子の直径を小さく、軸長を長くする必要があるため、半径方向の剛性が低く、軸長の短縮が困難である。 Further, according to the technique described in Non-Patent Document 4, the axial gap type single drive bearingless motor having a structure in which the above-described motor and the passive magnetic bearing are integrated is rotated by one inverter. Although the rotor can be driven and supported by the magnetic support, it is necessary to reduce the diameter of the rotor and increase the axial length in order to stabilize the tilt direction. Therefore, the rigidity in the radial direction is low and the axial length is shortened. Is difficult.

また、非特許文献５に記載された技術によれば、上述のモータの両端に反発受動型磁気軸受を配置したシングルドライブベアリングレスモータによれば、不安定力に打ち勝つ能動的な磁気支持力を発生させることが可能であるが、支持力を向上させるためには軸長を長くする必要がある。 In addition, according to the technique described in Non-Patent Document 5, according to the single drive bearingless motor in which the repulsive passive magnetic bearings are arranged at both ends of the above-described motor, the active magnetic support force that overcomes the unstable force is obtained. Although it can be generated, it is necessary to increase the axial length in order to improve the supporting force.

また、非特許文献６に記載された技術によれば、軸方向の支持力はコイルエンドに働くローレンツ力によって発生させているため、スタートアップのために非常に大きな電流が必要となり、消費電力が大きい。 Further, according to the technique described in Non-Patent Document 6, since the axial support force is generated by the Lorentz force acting on the coil end, a very large current is required for startup, and the power consumption is large. .

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、１台のインバータで回転子のトルクおよび能動的な軸方向の力が発生可能であり、半径方向の剛性が高く、回転子の軸長が短くかつ半径が長い扁平構造を有する電動機およびこの電動機を備える電動機システムを提供することにある。 Accordingly, in view of the above problems, an object of the present invention is that a single inverter can generate rotor torque and active axial force, high radial rigidity, short rotor axial length, and An object of the present invention is to provide an electric motor having a flat structure with a long radius and an electric motor system including the electric motor.

上記目的を実現するために、本発明においては、電動機は、回転軸に対して径方向外向きの磁束が発生するよう着磁された第１の永久磁石と、径方向内向きの磁束が発生するよう着磁された第２の永久磁石と、を含み、第１の永久磁石と第２の永久磁石とが周方向に交互に周設される永久磁石層を少なくとも１つ有する回転子と、回転子に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子であって、回転子側に突出したティースが周方向に複数周設された固定子鉄心と、各ティースの間に配置された巻線とを有する固定子と、を備え、ティースの回転子側の面と、永久磁石層が有する固定子側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有し、巻線に界磁電流を流すことにより発生する磁束と第１の永久磁石および第２の永久磁石により発生する磁束とにより、回転子に対して軸方向の力が発生する。 In order to achieve the above object, in the present invention, the electric motor generates a first permanent magnet that is magnetized so as to generate a radially outward magnetic flux with respect to the rotating shaft, and a radially inward magnetic flux. A rotor having at least one permanent magnet layer that includes a first permanent magnet and a second permanent magnet that are alternately arranged in the circumferential direction. A stator opposed to the rotor in a radial direction with a gap therebetween, and a stator core having a plurality of teeth protruding in the circumferential direction and a winding disposed between the teeth. A stator having a wire, and at least one of the rotor side surface of the teeth and the stator side surface of the permanent magnet layer has a surface portion that does not oppose in the axial direction, Magnetic flux generated by passing a field current through the winding, the first permanent magnet, By a magnetic flux generated by the second permanent magnet, an axial force is generated with respect to the rotor.

ここで、回転子は、永久磁石層が軸方向に複数設けられ、軸方向に隣接した各永久磁束層間に、非磁性体物質からなる非磁性体層が設けられるようにしてもよい。 Here, the rotor may be provided with a plurality of permanent magnet layers in the axial direction, and a nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material may be provided between the permanent magnetic flux layers adjacent in the axial direction.

また、固定子は、固定子鉄心の軸方向の外側両端に、回転子側に突出した補助ティースであって、周方向に複数周設された補助ティースと、ティースと補助ティースとを結合するヨークと、をさらに備えてもよい。 Further, the stator is auxiliary teeth protruding toward the rotor side at both ends in the axial direction of the stator core, and a plurality of auxiliary teeth provided in the circumferential direction, and a yoke that couples the teeth and the auxiliary teeth. And may be further provided.

また、固定子は、補助ティースに巻回される補助巻線をさらに備えてもよい。 The stator may further include an auxiliary winding wound around the auxiliary teeth.

また、ティースの回転子側の、永久磁石層の軸方向側の面近傍に対向する位置に、凹部が設けられてもよい。 Moreover, a recessed part may be provided in the position facing the surface near the axial direction side of the permanent magnet layer on the rotor side of the teeth.

第１の永久磁石および第２の永久磁石は、円筒状の非磁性体物質の側面上に貼り付けられることで周方向に交互に周設されるようにしてもよい。 The first permanent magnet and the second permanent magnet may be alternately provided in the circumferential direction by being affixed onto the side surface of the cylindrical nonmagnetic material.

また、永久磁石層は、第１の永久磁石および第２の永久磁石が交互に周設される回転子鉄心をさらに含むようにしてもよい。 The permanent magnet layer may further include a rotor core in which the first permanent magnet and the second permanent magnet are alternately provided.

また、電動機は、固定子に対して回転子を径方向に受動的に磁気支持する受動型磁気軸受をさらに備えてもよい。 The electric motor may further include a passive magnetic bearing that passively magnetically supports the rotor in the radial direction with respect to the stator.

また、電動機システムは、上述の電動機と、回転子の軸方向の位置を検出する変位センサと、変位センサが検出する位置情報に基づいて回転子の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、回転子を回転駆動するための電機子電流指令を生成する制御装置と、界磁電流指令および電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して巻線に供給するための交流電流を生成するインバータと、を備える。 In addition, the electric motor system includes the above-described electric motor, a displacement sensor that detects the position of the rotor in the axial direction, and a field current for performing position control in the axial direction of the rotor based on position information detected by the displacement sensor. A control device that generates a command and generates an armature current command for rotationally driving the rotor, and an alternating current for converting a direct current based on the field current command and the armature current command and supplying the converted current to the winding And an inverter for generating a current.

本発明によれば、１台のインバータ（例えば三相インバータ）で回転子のトルクおよび能動的な軸方向の力が発生可能であり、回転子の半径方向の剛性が高く、回転子の軸長が短くかつ半径が長い扁平構造を有する電動機およびこの電動機を備える電動機システムを実現することができる。 According to the present invention, the torque of the rotor and the active axial force can be generated by one inverter (for example, a three-phase inverter), the rigidity of the rotor in the radial direction is high, and the axial length of the rotor is increased. An electric motor having a flat structure with a short radius and a long radius and an electric motor system including the electric motor can be realized.

本発明によれば、１台のインバータでベアリングレスモータの回転子の軸方向位置の能動制御と回転制御とを実現することができるので、低コストである利点がある。 According to the present invention, active control and rotation control of the axial position of the rotor of the bearingless motor can be realized with a single inverter, which is advantageous in that the cost is low.

また、本発明によれば、固定子に対して回転子を径方向に受動的に磁気支持する受動型磁気軸受をさらに備えることにより、回転子の半径方向および傾き方向をより安定的に支持できることができるので、従来構造と比較して剛性が向上し、振動をよりいっそう低減させることができる利点がある。 In addition, according to the present invention, it is possible to more stably support the radial direction and the tilt direction of the rotor by further including a passive magnetic bearing that passively magnetically supports the rotor in the radial direction with respect to the stator. Therefore, there is an advantage that rigidity is improved and vibration can be further reduced as compared with the conventional structure.

また、本発明によれば、上述の受動型磁気軸受をさらに備えることによる剛性の向上により増加した不安定な軸方向力に打ち勝つ能動的な磁気支持力を発生可能であるという利点がある。 Further, according to the present invention, there is an advantage that it is possible to generate an active magnetic support force that overcomes the unstable axial force that has been increased by improving the rigidity by further including the above-described passive magnetic bearing.

本発明によれば、上記３つの利点を得ながら、従来構造と比較して、軸長が短く、直径が大きい偏平構造が実現可能である。 According to the present invention, it is possible to realize a flat structure having a short shaft length and a large diameter as compared with the conventional structure while obtaining the above three advantages.

また、非特許文献５に記載された技術によれば、軸方向の軸長を短くした時、軸方向の支持力は十分発生可能であったが、トルクはコアレスモータの原理でローレンツ力により発生し、軸方向に施された巻線の巻数に比例するので、トルクが減少するため、薄型化が困難であった。これに対し、本発明によれば、一般的な永久磁石モータのように、ギャップ面に固定子鉄心の歯が対面する部分があるので、マクスウェル力によるトルクを活用することができ、薄型構造で大きなトルクを発生させることができる。 In addition, according to the technique described in Non-Patent Document 5, when the axial length is shortened, the axial supporting force can be generated sufficiently, but the torque is generated by the Lorentz force based on the principle of the coreless motor. However, since it is proportional to the number of turns of the winding applied in the axial direction, the torque is reduced, making it difficult to reduce the thickness. On the other hand, according to the present invention, there is a portion where the teeth of the stator core face each other on the gap surface as in a general permanent magnet motor, so that torque due to Maxwell force can be utilized, and the structure is thin. A large torque can be generated.

本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを説明する図であって、（Ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図であり、（Ｂ）は−ｙ方向からみたＡ−Ａ断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure explaining the bearingless motor by 1st Example of this invention, Comprising: (A) is xy sectional drawing seen from the axial direction (+ z-axis direction) of the rotor, (B) is from -y direction. FIG. 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを説明する分解斜視図であって、図１（Ａ）に示したＡ−Ａ断面で切断した場合を示す図である。It is a disassembled perspective view explaining the bearingless motor by 1st Example of this invention, Comprising: It is a figure which shows the case where it cuts in the AA cross section shown to FIG. 1 (A). 本願図面において示される巻線電流の向き、力の向き、永久磁石により発生する磁束の向き、および巻線電流により発生する磁束の向きを示す図である。It is a figure which shows the direction of the winding current shown in this-application drawing, the direction of force, the direction of the magnetic flux generated by a permanent magnet, and the direction of the magnetic flux generated by a winding current. 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおけるトルク発生原理を説明するｘｙ断面図である。It is xy sectional drawing explaining the torque generation principle in the bearingless motor by 1st Example of this invention. 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの制御装置を説明する制御ブロック図である。It is a control block diagram explaining the control apparatus of the bearingless motor by 1st Example of this invention. 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける回転子の変形例を示すｘｙ断面図である。It is xy sectional drawing which shows the modification of the rotor in the bearingless motor by 1st Example of this invention. 本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの極対数の変形例を説明するＡ−Ａ図である。It is an AA figure explaining the modification of the number of pole pairs of the bearingless motor by the 1st example of the present invention. 本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the bearingless motor by the 2nd Example of this invention. 本発明の第３の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the bearingless motor by the 3rd Example of this invention. 本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the bearingless motor by the 4th Example of this invention. 本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータの極対数の変形例を説明するＡ−Ａ図である。It is an AA figure explaining the modification of the number of pole pairs of the bearingless motor by the 4th example of the present invention. 本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータの回転子の軸方向の位置を説明するＡ−Ａ図である。It is an AA figure explaining the position of the axial direction of the rotor of the bearingless motor by the 4th example of the present invention. 本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータの永久磁石層のＺ軸方向の幅の変形例を説明するＡ−Ａ図である。It is an AA figure explaining the modification of the width | variety of the Z-axis direction of the permanent magnet layer of the bearingless motor by the 4th Example of this invention. 本発明の第５の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the bearingless motor by the 5th Example of this invention. 本発明の第６の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the bearingless motor by the 6th Example of this invention. 本発明の第７の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the bearingless motor by the 7th Example of this invention. 本発明の第８の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the bearingless motor by the 8th Example of this invention. 本発明の第８の実施例によるベアリングレスモータの軸方向の力の発生原理を説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the generation | occurrence | production principle of the force of the axial direction of the bearingless motor by the 8th Example of this invention. 本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the bearingless motor by the 9th Example of this invention. 本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータを説明する分解斜視図であって、図１９に示したＡ−Ａ断面で切断した場合を示す図である。FIG. 20 is an exploded perspective view for explaining a bearingless motor according to a ninth embodiment of the present invention, and shows a case where the bearingless motor is cut along the AA section shown in FIG. 19. 本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータをベアリングレスファンに適用した場合を説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the case where the bearingless motor by the 9th Example of this invention is applied to a bearingless fan. 本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータをベアリングレスポンプに適用した場合（その１）を説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the case (the 1) when the bearingless motor by the 9th Example of this invention is applied to a bearingless pump. 本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータをベアリングレスポンプに適用した場合（その２）を説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the case (the 2) when the bearingless motor by the 9th Example of this invention is applied to a bearingless pump. 本発明の第１０の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the bearingless motor by the 10th Example of this invention. 本発明の第１１の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing explaining the bearingless motor by the 11th Example of this invention.

以下図面を参照して、本発明によるベアリングレスモータについて説明する。しかしながら、本発明は、図面又は以下に説明される実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。以下、インナーロータ型を例にとり説明するが、アウターロータ型であってもよい。 A bearingless motor according to the present invention will be described below with reference to the drawings. However, it should be understood that the invention is not limited to the drawings or the embodiments described below. Hereinafter, an inner rotor type will be described as an example, but an outer rotor type may be used.

図１は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを説明する図であって、（Ａ）は回転子の軸方向（＋ｚ軸方向）からみたｘｙ断面図であり、（Ｂ）はその−ｙ方向からみたＡ−Ａ断面図である。また、図２は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを説明する分解斜視図であって、図１（Ａ）に示したＡ−Ａ断面で切断した場合を示す図である。以下、回転子の回転軸の方向については「軸方向」もしくは「Ｚ軸方向」と称する。また、断面図として示された図７〜図１９および図２１〜図２５は、−ｙ方向からみたＡ−Ａ断面を示す。 1A and 1B are diagrams for explaining a bearingless motor according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is an xy sectional view as seen from the axial direction of a rotor (+ z-axis direction), and FIG. It is AA sectional drawing seen from the -y direction. FIG. 2 is an exploded perspective view for explaining the bearingless motor according to the first embodiment of the present invention, and shows a case where the bearing is cut along the AA section shown in FIG. Hereinafter, the direction of the rotation axis of the rotor is referred to as “axial direction” or “Z-axis direction”. Moreover, FIGS. 7 to 19 and FIGS. 21 to 25 shown as cross-sectional views show AA cross sections as viewed from the −y direction.

また、図３は、本願図面において示される巻線電流の向き、力の向き、永久磁石により発生する磁束の向き、および巻線電流により発生する磁束の向きを示す図である。本願図面において、巻線に流れる電流の向きについては、一般的な表記方法に従い、紙面の裏側から表側に貫く向きを丸印に黒点を付したもので示し、紙面の表側から裏側に貫く向きを丸印に×印を付したもので示す。永久磁石により発生する磁束の向き（永久磁石の着磁方向としてのＮ極からＳ極に向かう磁束の向き）については、実線の矢印で示し、巻線に電流が流れることにより発生する磁束の向きについては、破線の矢印で示す。力の向きについては、白抜きの矢印で示す。 FIG. 3 is a diagram showing the direction of the winding current, the direction of the force, the direction of the magnetic flux generated by the permanent magnet, and the direction of the magnetic flux generated by the winding current shown in the drawings of the present application. In the drawings of the present application, the direction of the current flowing through the winding is indicated by a circle in the direction penetrating from the back side of the paper to the front side according to a general notation method, and the direction penetrating from the front side of the paper to the back side. This is indicated by a circle with a cross. The direction of the magnetic flux generated by the permanent magnet (the direction of the magnetic flux from the north pole to the south pole as the magnetization direction of the permanent magnet) is indicated by a solid arrow, and the direction of the magnetic flux generated when a current flows through the winding Is indicated by a dashed arrow. The direction of the force is indicated by a white arrow.

なお、図示された極対数およびスロット数は一例であって、本発明を特に限定するものではなく、その他の極対数およびスロット数であってもよい。 The number of pole pairs and the number of slots shown in the figure are merely examples, and the present invention is not particularly limited, and other numbers of pole pairs and slots may be used.

本発明の第１の実施例によれば、ベアリングレスモータ１における回転子１０は、永久磁石１１が、円筒状の非磁性体物質１２の側面上に貼り付けられることで周方向に交互に周設される表面貼付永久磁石型回転子（ＳＰＭ）である。図面を見やすくするために、図２において非磁性体物質１２については図示していない。なお、第１の実施例では、回転子１０を表面貼付永久磁石型回転子（ＳＰＭ）としたが、この変形例として、後述するように埋込永久磁石型回転子（ＩＰＭ）であってもよい。 According to the first embodiment of the present invention, the rotor 10 in the bearingless motor 1 is configured so that the permanent magnets 11 are alternately wound in the circumferential direction by being affixed on the side surface of the cylindrical nonmagnetic material 12. It is the surface sticking permanent magnet type | mold rotor (SPM) provided. In order to make the drawing easy to see, the non-magnetic material 12 is not shown in FIG. In the first embodiment, the rotor 10 is a surface-attached permanent magnet type rotor (SPM). However, as a modified example, an embedded permanent magnet type rotor (IPM) may be used as will be described later. Good.

図１（Ａ）に示すように、永久磁石１１は、回転軸に対して径方向外向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第１の永久磁石）と、径方向内向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第２の永久磁石）とが、周方向に交互に周設される。このように同一のｘｙ平面上において径方向に並ぶ永久磁石が周設された層を、以下「永久磁石層」と称する。第１の実施例についていえば、図１（Ｂ）に示すように、ベアリングレスモータ１は１層の永久磁石層を有する。この変形例として、ベアリングレスモータ１を、後述するよう軸方向に積層された複数の永久磁石層を有する多層構造で構成してもよい。 As shown in FIG. 1A, the permanent magnet 11 is magnetized so as to generate a radially outward magnetic flux with respect to the rotating shaft (first permanent magnet), and a radially inward magnetic flux. Are magnetized so as to generate (second permanent magnets) alternately in the circumferential direction. The layer in which the permanent magnets arranged in the radial direction on the same xy plane are provided in the periphery is hereinafter referred to as “permanent magnet layer”. As for the first embodiment, as shown in FIG. 1B, the bearingless motor 1 has one permanent magnet layer. As a modification, the bearingless motor 1 may be configured with a multilayer structure having a plurality of permanent magnet layers stacked in the axial direction as will be described later.

本発明の第１の実施例によれば、ベアリングレスモータ１における固定子２０は、回転子１０に対して径方向にギャップを隔てて対向する。第１の実施例では、回転子１０をインナーロータ型としたので、固定子２０は、図１および図２に示すように、回転子１０に対して径方向外側にギャップを隔てて対向する。この変形例として、回転子１０をアウターロータ型とする場合は、固定子２０は、回転子１０に対して径方向内側にギャップを隔てて対向する。 According to the first embodiment of the present invention, the stator 20 in the bearingless motor 1 faces the rotor 10 with a gap in the radial direction. In the first embodiment, since the rotor 10 is an inner rotor type, the stator 20 is opposed to the rotor 10 with a gap radially outward as shown in FIGS. 1 and 2. As a modification, when the rotor 10 is an outer rotor type, the stator 20 faces the rotor 10 with a gap inward in the radial direction.

固定子２０は、回転子１０側に突出したティース２１−１が周方向に複数周設された固定子鉄心２１と、各ティース２１−１の間のスロットに配置された巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗとを有する。図示の例では、一例として、スロット数を１２としており、極数を８としている。また、各ティース２１の周りに巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗが巻回された集中巻で構成している。この変形例として、分布巻で構成してもよい。 The stator 20 includes a stator core 21 in which a plurality of teeth 21-1 projecting toward the rotor 10 are provided in the circumferential direction, and windings 22U and 22V disposed in slots between the teeth 21-1. 22W. In the illustrated example, as an example, the number of slots is 12 and the number of poles is 8. Further, the windings 22U, 22V, and 22W are wound around each tooth 21 to form a concentrated winding. As this modification, you may comprise by distributed winding.

第１の実施例によれば、図１（Ｂ）および図２に示すように、固定子１０におけるティース２１−１の回転子１０側の面と、回転子１０における永久磁石層が有する固定子２０側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有する。換言すれば、第１の実施例は、回転子と固定子とが径方向において対向する一般的な永久磁石同期電動機について、図１（Ｂ）および図２に示すように、回転子１０と固定子２０とが軸方向にずれるようにシフトさせて（ずらして）、互いに非対向となる面を有する構造としたものである。これによる軸方向の力の発生原理については後述する。 According to the first embodiment, as shown in FIGS. 1B and 2, the surface of the stator 21-1 on the rotor 10 side of the stator 10 and the stator that the permanent magnet layer of the rotor 10 has. At least one of the 20 side surfaces has a surface portion that does not oppose in the axial direction. In other words, in the first embodiment, as shown in FIG. 1B and FIG. 2, the rotor 10 is fixed to the rotor 10 with respect to a general permanent magnet synchronous motor in which the rotor and the stator are opposed in the radial direction. The element 20 is shifted so as to be displaced in the axial direction (shifted), and has a structure having surfaces that are not opposed to each other. The principle of generating an axial force by this will be described later.

また、電動機システム１００は、上述のベアリングレスモータ１と、回転子１０の軸方向の位置を検出する変位センサ５１と、変位センサ５１が検出する位置情報に基づいて回転子１０の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、回転子１０を回転駆動するための電機子電流指令を生成する制御装置５２と、界磁電流指令および電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗに供給するための交流電流を生成するインバータ５３とを備える。 In addition, the electric motor system 100 includes the above-described bearingless motor 1, a displacement sensor 51 that detects the axial position of the rotor 10, and the axial position of the rotor 10 based on positional information detected by the displacement sensor 51. A control device 52 that generates a field current command for performing control and generates an armature current command for rotationally driving the rotor 10, and converts a direct current based on the field current command and the armature current command And an inverter 53 that generates an alternating current to be supplied to the windings 22U, 22V, and 22W.

次に、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子１０の軸方向の力の発生原理を説明する。 Next, the principle of generating the axial force of the rotor 10 in the bearingless motor according to the first embodiment of the present invention will be described.

ここでは、巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗにおいて、図示したような向きに電流が流れた場合を考える。 Here, a case is considered in which a current flows in the direction shown in the windings 22U, 22V, and 22W.

上述のように、永久磁石１１は、回転軸に対して径方向外向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第１の永久磁石）と、径方向内向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第２の永久磁石）とが、周方向に交互に周設されるので、永久磁石１１により発生する磁束の向きは、図１に示すように、細字の実線の矢印のようになる。特に図示したＡ−Ａ断面においては、径方向外向きの磁束が発生する。 As described above, the permanent magnet 11 is magnetized so as to generate a radially outward magnetic flux with respect to the rotating shaft (first permanent magnet), and the permanent magnet 11 is attached so as to generate a radially inward magnetic flux. Since magnetized ones (second permanent magnets) are alternately arranged in the circumferential direction, the direction of the magnetic flux generated by the permanent magnet 11 is as shown by a solid solid arrow as shown in FIG. become. In particular, in the AA cross section shown in the figure, a radially outward magnetic flux is generated.

一方、巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗにおいて、図示した向きに電流が流れると、細字の破線の矢印の向きに磁束が発生する。特にＡ−Ａ断面においては、径方向外向きの磁束が発生する。 On the other hand, in the windings 22U, 22V, and 22W, when a current flows in the illustrated direction, a magnetic flux is generated in the direction of the thin broken arrow. In particular, in the AA cross section, a radially outward magnetic flux is generated.

図１（Ｂ）に示すように、回転子１０と固定子２０とが軸方向にずれるようにシフトした位置関係となっているので、永久磁石１１により発生する磁束および巻線２２Ｕにより発生する磁束は、ギャップ中を、軸方向斜め上方（すなわち＋Ｚ方向）に向かってに通過し、固定子１０のティース２１に入る。巻線２２Ｕを例にとり、より詳しく説明すると次の通りである。 As shown in FIG. 1B, the rotor 10 and the stator 20 are in a positional relationship shifted so as to be displaced in the axial direction, so that the magnetic flux generated by the permanent magnet 11 and the magnetic flux generated by the winding 22U. Passes through the gap obliquely upward in the axial direction (that is, in the + Z direction) and enters the teeth 21 of the stator 10. Taking winding 22U as an example, it will be described in more detail as follows.

回転子１０と固定子２０とが軸方向にずれるようにシフトした位置関係にある場合に、巻線２２Ｕについて図１に示す向きに電流を流すと、巻線２２Ｕによる磁束が、永久磁石による磁束と同じ向きに発生し、結果としてギャップ中における永久磁石による磁束が仮想的に強まったような状態になる。逆に、巻線２２Ｕについて図１に示す向きとは逆向きに電流を流すと、巻線２２Ｕによる磁束が、図１に示す向きとは反対向き（永久磁石による磁束と同じ向きとは反対向き）に発生し、永久磁石による磁束が仮想的に弱まったような状態になる。したがって、固定子１０に対してＺ軸方向に同じ力を働かせるためには、巻線２２Ｕについて図１に示す向きに電流を流すことにより巻線２２Ｕによる磁束と永久磁石による磁束とが同じ向きになる場合は、回転子１０のＺ軸方向の変位は小さくて済むが、逆に、巻線２２Ｕについて図１に示す向きとは逆向きに電流を流すことにより巻線２２Ｕによる磁束と永久磁石による磁束とが反対向きになる場合は、回転子１０のＺ軸方向の変位は大きくなる。 When the rotor 10 and the stator 20 are in a positional relationship shifted so as to be displaced in the axial direction, when a current is passed in the direction shown in FIG. 1 with respect to the winding 22U, the magnetic flux by the winding 22U becomes the magnetic flux by the permanent magnet. As a result, the magnetic flux by the permanent magnet in the gap is virtually strengthened. Conversely, when a current is passed in the direction opposite to the direction shown in FIG. 1 with respect to the winding 22U, the magnetic flux generated by the winding 22U is opposite to the direction shown in FIG. ) And the magnetic flux by the permanent magnet is virtually weakened. Therefore, in order to apply the same force to the stator 10 in the Z-axis direction, by passing a current in the direction shown in FIG. In this case, the displacement of the rotor 10 in the Z-axis direction may be small, but conversely, by passing a current in the direction opposite to that shown in FIG. 1 for the winding 22U, the magnetic flux generated by the winding 22U and the permanent magnet When the magnetic flux is in the opposite direction, the displacement of the rotor 10 in the Z-axis direction increases.

本発明では、上述した巻線２２Ｕに界磁電流を流すことにより発生する磁束と永久磁石１１により発生する磁束とにより、回転子１０に対して軸方向の力を発生させ、回転子１０の軸方向の位置制御を行う。また、本発明によれば、一般的な永久磁石モータのように、ギャップ面に固定子鉄心の歯が対面する部分があるので、マクスウェル力によるトルクを活用することができ、薄型構造で大きなトルクを発生させることができる。 In the present invention, an axial force is generated on the rotor 10 by the magnetic flux generated by flowing the field current through the winding 22U and the magnetic flux generated by the permanent magnet 11, and the axis of the rotor 10 is Control the position of the direction. In addition, according to the present invention, there is a portion where the teeth of the stator core face each other on the gap surface as in a general permanent magnet motor, so that torque due to Maxwell force can be utilized, and a large structure with a large torque Can be generated.

後述するように、変位センサ５１により回転子１０の軸方向の位置を検出し、制御装置５２で検出された位置情報に基づいて、回転子１０の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令（ｄ軸電流指令）を生成し、インバータ５３は、界磁電流指令（ｄ軸電流指令）に基づいて直流電流を変換して巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗに供給するための交流電流を生成し、この交流電流を巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗに流せば、回転子１０の軸方向の位置を制御することができる。 As will be described later, a field current for detecting the position of the rotor 10 in the axial direction by the displacement sensor 51 and controlling the position of the rotor 10 in the axial direction based on the position information detected by the control device 52. A command (d-axis current command) is generated, and the inverter 53 generates a DC current for converting the DC current based on the field current command (d-axis current command) and supplying it to the windings 22U, 22V and 22W. If this alternating current is passed through the windings 22U, 22V and 22W, the position of the rotor 10 in the axial direction can be controlled.

次に、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける、回転子１０の回転トルクの発生原理を説明する。図４は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおけるトルク発生原理を説明するｘｙ断面図である。ベアリングレスモータ１のトルク発生原理は、一般的な永久磁石同期電動機と同様であり、例えば巻線２２Ｖおよび２２Ｗに図示したような向きに電流を流し、巻線２２Ｕには電流を流さない場合を考えると、図示した位置に回転子１０があるときは図中反時計回りに回転トルク（図中白抜きの矢印に示す）が発生する。つまり、電機子電流（ｑ軸電流）により回転子の回転トルクが発生する。 Next, the principle of generating the rotational torque of the rotor 10 in the bearingless motor according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is an xy sectional view for explaining the principle of torque generation in the bearingless motor according to the first embodiment of the present invention. The torque generation principle of the bearingless motor 1 is the same as that of a general permanent magnet synchronous motor. For example, a current is supplied to the windings 22V and 22W in the direction shown in the figure, and no current is supplied to the winding 22U. Considering this, when the rotor 10 is located at the illustrated position, a rotational torque (indicated by a white arrow in the figure) is generated counterclockwise in the figure. That is, the rotational torque of the rotor is generated by the armature current (q-axis current).

図５は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの制御装置を説明する制御ブロック図である。図５に示すように、電動機システム１００は、上述のベアリングレスモータ１と、回転子の軸方向の位置を検出する変位センサ５１と、変位センサ５１が検出する位置情報に基づいて回転子の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、回転子１０を回転駆動するための電機子電流指令を生成する制御装置と、界磁電流指令および電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して巻線に供給するための交流電流を生成する三相インバータ５３とを備える。本発明では、上述のように、第１の実施例によるベアリングレスモータ１は、電機子電流（ｑ軸電流）により回転子の回転トルクが発生し、界磁電流（ｄ軸電流）により回転子のＺ軸方向の支持力が発生する。１台の三相インバータ５３でベアリングレスモータ１の回転子のＺ軸方向位置の能動制御と回転制御とを行う。 FIG. 5 is a control block diagram for explaining the control apparatus for the bearingless motor according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the electric motor system 100 includes the above-described bearingless motor 1, a displacement sensor 51 that detects the axial position of the rotor, and a rotor shaft based on position information detected by the displacement sensor 51. A control device for generating a field current command for controlling the position of the direction and generating an armature current command for rotationally driving the rotor 10, and a direct current based on the field current command and the armature current command And a three-phase inverter 53 that generates an alternating current for supplying the converted current to the winding. In the present invention, as described above, in the bearingless motor 1 according to the first embodiment, the rotor torque is generated by the armature current (q-axis current), and the rotor is generated by the field current (d-axis current). The support force in the Z-axis direction is generated. One three-phase inverter 53 performs active control and rotation control of the Z-axis direction position of the rotor of the bearingless motor 1.

制御装置５２において、回転子のＺ軸方向の支持力発生制御として、Ｚ軸方向位置の指令値ｚ^*と、ベアリングレスモータ１の回転子の軸方向の検出変位ｚとから比較器Ｂ１で偏差を計算し、ＰＩＤ制御部Ｂ２でＰＩＤ制御を行い、界磁電流指令であるｄ軸電流指令値ｉ_d ^*を作成する。また、ベアリングレスモータ１の回転子の回転駆動制御として、回転速度指令ω^*を指令する。 In the control device 52, as a control for generating the supporting force in the Z-axis direction of the rotor, a deviation is generated by the comparator B1 from the command value z ^{* in} the Z-axis direction position and the detected displacement z in the axial direction of the rotor of the bearingless motor 1. And PID control is performed by the PID control unit B2, and a d-axis current command value i _d ^* , which is a field current command, is created. Further, a rotational speed command ω ^* is commanded as rotational drive control of the rotor of the bearingless motor 1.

比較器Ｂ３においてｄ軸電流指令値ｉ_d ^*とｄ軸電流検出値ｉ_dとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ４でＰＩ制御が行われ、ｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*が作成される。 The comparator B3 calculates the deviation between the d-axis current command value i _d ^* and the detected d-axis current value i _d , PI control is performed by the PI control unit B4, and the d-axis voltage command value V _d ^* is created. .

微分器Ｂ５では、角度センサ（図示せず）によって検出されたベアリングレスモータ１の回転子の位相角θを微分して回転速度検出値ωを作成する。比較器Ｂ６において回転速度指令ω^*と回転速度検出値ωとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ７でＰＩ制御が行われ、電機子電流指令であるｑ軸電流指令値ｉ_q ^*が作成される。そして、比較器Ｂ８においてｑ軸電流指令値ｉ_q ^*とｑ軸電流検出値ｉ_qとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ９でＰＩ制御が行われ、ｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*が作成される。 In the differentiator B5, the rotational speed detection value ω is generated by differentiating the phase angle θ of the rotor of the bearingless motor 1 detected by an angle sensor (not shown). The difference between the rotational speed command ω ^* and the rotational speed detected value ω is calculated in the comparator B6, and PI control is performed in the PI control unit B7, and the q-axis current command value i _q ^*, which is an armature current command, is created. The Then, the difference between the q-axis current command value i _q ^* and the q-axis current detection value i _q is calculated in the comparator B8, PI control is performed in the PI control unit B9, and the q-axis voltage command value V _q ^* is created. Is done.

三相二相変換部回路Ｂ１０は、ベアリングレスモータ１の回転子の位相角θを用いてｄ軸電圧指令値Ｖ_d ^*およびｑ軸電圧指令値Ｖ_q ^*を三相二相変換してｕｖｗ各相の電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ_v ^*およびＶ_w ^*を出力する。ｄｑ座標系から三相座標系への変換式は式１で表される。 The three-phase / two-phase conversion unit circuit B10 performs three-phase / two-phase conversion on the d-axis voltage command value V _d ^* and the q-axis voltage command value V _q ^* using the phase angle θ of the rotor of the bearingless motor 1, and uvw The voltage command values V _u ^* , V _v ^* and V _w ^* for each phase are output. A conversion formula from the dq coordinate system to the three-phase coordinate system is expressed by Formula 1.

ｕｖｗ各相の電圧指令値Ｖ_u ^*、Ｖ_v ^*およびＶ_w ^*は三相インバータ５３に入力され、三相インバータ５３はこれに従って、直流電圧をベアリングレスモータ１の駆動電圧である交流電圧に変換して出力する。出力された交流電圧はベアリングレスモータの三相の各巻線に印加され、ベアリングレスモータ１の各巻線に三相電流ｉ_u、ｉ_vおよびｉ_wが流れる。 The voltage command values V _u ^* , V _v ^*, and V _w ^{* for} each phase of uvw are input to the three-phase inverter 53, and the three-phase inverter 53 converts the DC voltage to the AC voltage that is the drive voltage of the bearingless motor 1 in accordance with this. Convert and output. The output AC voltage is applied to each of the three-phase windings of the bearingless motor, and three-phase currents i _u , _iv and i _w flow through the respective windings of the bearingless motor 1.

三相インバータ５３からベアリングレスモータ１の巻線１２に流れるｕ相電流ｉ_uおよびｗ相電流ｉ_wは電流センサ５４によって検出されてフィードバックされる。三相二相変換回路Ｂ１１は、検出されたｕ相電流ｉ_uおよびｗ相電流ｉ_wと、ｕ相電流ｉ_uおよびｗ相電流ｉ_wから算出されたｖ相電流ｉ_vと、を三相二相変換して、回転子のＺ軸方向の支持力に起因するｄ軸電流検出値ｉ_dと、回転子のトルクに起因するｑ軸電流検出値ｉ_qとを出力する。なお、三相座標系からｄｑ座標系への変換式は式１の逆変換で表され、ここでは記載を省略する。 The u-phase current i _u and the w-phase current i _w flowing from the three-phase inverter 53 to the winding 12 of the bearingless motor 1 are detected by the current sensor 54 and fed back. The three-phase two-phase conversion circuit B11 is configured to three-phase the detected u-phase current i _u and w-phase current i _w and the v-phase current i _v calculated from the u-phase current i _u and the w-phase current i _w. Two-phase conversion is performed, and a d-axis current detection value i _d caused by the support force of the rotor in the Z-axis direction and a q-axis current detection value i _q caused by the rotor torque are output. Note that the conversion equation from the three-phase coordinate system to the dq coordinate system is expressed by the inverse conversion of Equation 1, and the description is omitted here.

図６は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータにおける回転子の変形例を示すｘｙ断面図である。上述のように第１の実施例では、回転子１０を、円筒状の非磁性体物質１２の側面上に貼り付けられることで周方向に交互に周設される表面貼付永久磁石型回転子（ＳＰＭ）として構成したが、この変形例として、図６に示すように、埋込永久磁石型回転子（ＩＰＭ）として構成してもよい。埋込永久磁石型の回転子構造では、円筒状の非磁性体物質１２の側面上に回転子鉄心１３が設けられ、永久磁石１１が回転子鉄心１３に埋め込まれる形で、回転軸に対して径方向外向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第１の永久磁石）と、径方向内向きの磁束が発生するよう着磁されたもの（第２の永久磁石）とが、周方向に交互に周設されることになる。すなわちこの場合、同一のｘｙ平面上において永久磁石１１が周設された永久磁石層は、その構成要素として回転子鉄心１３をさらに含んだものとなる。 FIG. 6 is an xy sectional view showing a modification of the rotor in the bearingless motor according to the first embodiment of the present invention. As described above, in the first embodiment, the rotor 10 is affixed on the side surface of the cylindrical non-magnetic material 12 so that the surface-attached permanent magnet rotor ( However, as a modification of this, as shown in FIG. 6, it may be configured as an embedded permanent magnet type rotor (IPM). In the embedded permanent magnet type rotor structure, the rotor core 13 is provided on the side surface of the cylindrical non-magnetic material 12, and the permanent magnet 11 is embedded in the rotor core 13, so that A magnet magnetized so as to generate a radially outward magnetic flux (first permanent magnet) and a magnet magnetized so as to generate a radially inward magnetic flux (second permanent magnet) It will be alternately arranged in the direction. That is, in this case, the permanent magnet layer in which the permanent magnet 11 is provided on the same xy plane further includes the rotor core 13 as a component.

図７は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータの極対数の変形例を説明するＡ−Ａ図である。極対数は本発明を特に限定するものではなく、上述の第１の実施例では一例として極数を８とした。極対数が偶数である場合、回転子１０において径方向に対角の位置にある２つの永久磁石の着磁方向は、上述のように互いに逆向きになる。一方、極対数が奇数である場合は、図７に示すように、回転子１０において径方向に対角の位置にある２つの永久磁石の着磁方向は同一方向に向く。 FIG. 7 is an AA diagram for explaining a modification of the number of pole pairs of the bearingless motor according to the first embodiment of the present invention. The number of pole pairs does not particularly limit the present invention. In the first embodiment described above, the number of poles is set as eight as an example. When the number of pole pairs is an even number, the magnetization directions of the two permanent magnets at diagonal positions in the radial direction in the rotor 10 are opposite to each other as described above. On the other hand, when the number of pole pairs is an odd number, as shown in FIG. 7, the magnetization directions of the two permanent magnets diagonally in the radial direction in the rotor 10 are directed in the same direction.

続いて、本発明の第２の実施例について説明する。図８は、本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。第２の実施例は、第１の実施例におけるベアリングレスモータ１において、固定子１０に対して回転子を径方向に受動的に磁気支持する受動型磁気軸受（ＰＭＢ：ＰａｓｓｉｖｅＭａｇｎｅｔｉｃＢｅａｒｉｎｇ）３０をさらに備えたものである。回転子１０の回転軸となるシャフト１４の上下両端に受動型磁気軸受３０が設けられる。受動型磁気軸受３０は、回転子側永久磁石３１と、固定子側永久磁石３２とからなる。回転子側永久磁石３１は回転子１０のシャフト１４の周面に設けられる。固定子側永久磁石３２は、例えば固定子２０が固定されたケース（図示せず）に固定される。回転子側永久磁石３１および固定子側永久磁石３２は、互いに吸引するものでも反発するものでもどちらでもよい。図示の例では反発型の受動型磁気軸受３０を示しており、この場合、回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とがギャップを挟んで径方向に並ぶラジアルギャップで構成する。なお、図示はしないが吸引型の受動型磁気軸受とする場合には、回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とがギャップを挟んで軸方向に並ぶアキシャルギャップで構成する。 Subsequently, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line AA for explaining a bearingless motor according to a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, in the bearingless motor 1 in the first embodiment, a passive magnetic bearing (PMB) 30 that passively magnetically supports the rotor in the radial direction with respect to the stator 10 is provided. In addition. Passive magnetic bearings 30 are provided at both upper and lower ends of the shaft 14 that serves as the rotation axis of the rotor 10. The passive magnetic bearing 30 includes a rotor side permanent magnet 31 and a stator side permanent magnet 32. The rotor-side permanent magnet 31 is provided on the peripheral surface of the shaft 14 of the rotor 10. The stator side permanent magnet 32 is fixed to a case (not shown) to which the stator 20 is fixed, for example. The rotor-side permanent magnet 31 and the stator-side permanent magnet 32 may be either one that attracts or repels each other. In the illustrated example, a repulsive passive magnetic bearing 30 is shown. In this case, the rotor-side permanent magnet 31 and the stator-side permanent magnet 32 are configured by a radial gap arranged in the radial direction with a gap interposed therebetween. Although not shown, in the case of an attraction-type passive magnetic bearing, the rotor-side permanent magnet 31 and the stator-side permanent magnet 32 are configured by an axial gap arranged in the axial direction with a gap interposed therebetween.

図９は、本発明の第３の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。第３の実施例は、第１の実施例におけるベアリングレスモータ１において、固定子２０のティース２１−１の回転子１０側の、永久磁石層の軸方向側の面近傍に対向する位置に、スリット（凹部）３３が設けられる。図示の例では永久磁石層は１層であるので、永久磁石１０の軸方向側の表面に対向するように、ティース２１−１にスリット３３が設けられる。これにより、回転子１０が傾いたとき、傾き方向の負剛性を低減することができる。 FIG. 9 is an AA cross-sectional view for explaining a bearingless motor according to a third embodiment of the present invention. In the bearingless motor 1 according to the first embodiment, the third embodiment is located at a position facing the vicinity of the surface on the rotor 10 side of the teeth 21-1 of the stator 20 on the axial direction side of the permanent magnet layer. A slit (concave portion) 33 is provided. In the illustrated example, since the permanent magnet layer is one layer, the teeth 21-1 are provided with slits 33 so as to face the surface of the permanent magnet 10 on the axial direction side. Thereby, when the rotor 10 inclines, the negative rigidity of an inclination direction can be reduced.

図１０は、本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。上述の第１〜第３の実施例では、ベアリングレスモータ１は１層の永久磁石層を有するものとしたが、第４の実施例のように、軸方向に積層された複数の永久磁石層を有する多層構造で構成してもよい。図１０では、一例として永久磁石層をＺ軸方向に２層に積層した場合を示している。軸方向に隣接した各永久磁束層に含まれる永久磁石１１の間には、非磁性体物質からなる非磁性体１２の層が設けられる。第４の実施例は、換言すれば、第１の実施例における１層の永久磁石層を径方向（すなわちｘｙ平面方向）に２段に分割してその間に非磁性体１２を設けたものであるとも言え、つまり、第２の実施例によれば、第１の実施例に比べて永久磁石１１の量を削減することができ、コスト的にさらに有利になる。 FIG. 10 is an AA cross-sectional view for explaining a bearingless motor according to a fourth embodiment of the present invention. In the first to third embodiments described above, the bearingless motor 1 has one permanent magnet layer. However, as in the fourth embodiment, a plurality of permanent magnet layers stacked in the axial direction. You may comprise with the multilayer structure which has these. FIG. 10 shows a case where the permanent magnet layers are stacked in two layers in the Z-axis direction as an example. Between the permanent magnets 11 included in each permanent magnetic flux layer adjacent in the axial direction, a layer of a nonmagnetic material 12 made of a nonmagnetic material is provided. In other words, in the fourth embodiment, the one permanent magnet layer in the first embodiment is divided into two stages in the radial direction (that is, the xy plane direction), and the nonmagnetic material 12 is provided therebetween. In other words, according to the second embodiment, the amount of the permanent magnet 11 can be reduced as compared with the first embodiment, which is further advantageous in terms of cost.

図１１は、本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータの極対数の変形例を説明するＡ−Ａ図である。永久磁石層が複数となっても極対数は本発明を特に限定するものではない。上述の第４の実施例では一例として偶数が、極対数が奇数であるとすれば、図１１に示すように、回転子１０において径方向に対角の位置（Ａ−Ａ断面）にある２つの永久磁石の着磁方向は同一方向に向く。図１１の例は、換言すれば、図７に示した１層の永久磁石層でなおかつ極対数が奇数であるものを、径方向（すなわちｘｙ平面方向）に２段に分割してその間に非磁性体１２を設けたものであるとも言える。 FIG. 11 is an AA diagram for explaining a modification of the number of pole pairs of the bearingless motor according to the fourth embodiment of the present invention. Even if there are a plurality of permanent magnet layers, the number of pole pairs does not particularly limit the present invention. In the above-described fourth embodiment, as an example, if the even number is an odd number and the pole pair number is an odd number, as shown in FIG. The magnetization directions of the two permanent magnets are in the same direction. In other words, the example of FIG. 11 is obtained by dividing the one permanent magnet layer shown in FIG. 7 and having an odd number of pole pairs into two stages in the radial direction (that is, the xy plane direction), It can be said that the magnetic body 12 is provided.

図１２は、本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータの回転子の軸方向の位置を説明するＡ−Ａ図である。上述のように、本発明では、固定子１０におけるティース２１−１の回転子１０側の面と、回転子１０における永久磁石層が有する固定子２０側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有するように、回転子１０を固定子２０に対してＺ軸方向にシフトするようにしている。上述の各実施例では回転子１０をＺ軸負方向にシフトさせていたが、図１２に示すように回転子１０をＺ軸正方向にシフトさせてもよい。 FIG. 12 is an AA diagram for explaining the axial position of the rotor of the bearingless motor according to the fourth embodiment of the present invention. As described above, in the present invention, at least one of the surface on the rotor 10 side of the teeth 21-1 of the stator 10 and the surface on the stator 20 side of the permanent magnet layer in the rotor 10 is: The rotor 10 is shifted in the Z-axis direction with respect to the stator 20 so as to have a surface portion that does not face in the axial direction. In each of the above-described embodiments, the rotor 10 is shifted in the negative Z-axis direction, but the rotor 10 may be shifted in the positive Z-axis direction as shown in FIG.

図１３は、本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータの永久磁石層のＺ軸方向の幅の変形例を説明するＡ−Ａ図である。図１３に示すように複数の永久磁石層のうちいずれかの永久磁石層のＺ軸方向の幅を大きくしてもよい。なお、図１３に示す例は、換言すれば、図７を参照して説明した第２の実施例によるベアリングレスモータ１において、着磁方向が逆向きの永久磁石層を追加した場合に相当する。 FIG. 13 is an AA diagram for explaining a modification of the width in the Z-axis direction of the permanent magnet layer of the bearingless motor according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 13, the width in the Z-axis direction of any one of the plurality of permanent magnet layers may be increased. Note that the example shown in FIG. 13 corresponds to the case where a permanent magnet layer having a reverse magnetization direction is added to the bearingless motor 1 according to the second embodiment described with reference to FIG. .

図１４は、本発明の第５の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。複数の永久磁石層を有する多層構造で構成した実施例として、上述の第４の実施例で２層に積層した場合について説明したが、図１４は第５の実施例として３層に積層した例を示している。軸方向に隣接した各永久磁束層に含まれる永久磁石１１の間には、非磁性体物質からなる非磁性体１２の層が設けられる。第５の実施例は、見方を変えれば、第１の実施例における１層の永久磁石層を径方向（すなわちｘｙ平面方向）に３段に分割してそのそれぞれの間に非磁性体１２を設けたものであるとも言え、つまり、第５の実施例によれば、第１および第２の実施例に比べて永久磁石１１の量を削減することができ、コスト的にさらに有利になる。 FIG. 14 is an AA cross-sectional view for explaining a bearingless motor according to a fifth embodiment of the present invention. As an embodiment configured with a multilayer structure having a plurality of permanent magnet layers, the case where two layers are stacked in the fourth embodiment described above has been described, but FIG. 14 shows an example where three layers are stacked as the fifth embodiment. Is shown. Between the permanent magnets 11 included in each permanent magnetic flux layer adjacent in the axial direction, a layer of a nonmagnetic material 12 made of a nonmagnetic material is provided. In the fifth embodiment, from a different viewpoint, the single permanent magnet layer in the first embodiment is divided into three stages in the radial direction (that is, the xy plane direction), and the non-magnetic material 12 is interposed between them. In other words, according to the fifth embodiment, the amount of the permanent magnet 11 can be reduced as compared with the first and second embodiments, which is further advantageous in terms of cost.

図１５は、本発明の第６の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。上述の第３の実施例では、１層の永久磁石層を有するベアリングレスモータ１にスリットを設けた場合を説明したが、このスリットは多層の１層の永久磁石層を有するベアリングレスモータにも設けてもよい。例えば、３層の永久磁石層を有するベアリングレスモータ１について言えば、図１５に示すように固定子２０のティース２１−１の回転子１０側の、３層の永久磁石層うちの真ん中の永久磁石層の軸方向側の面近傍に対向する位置に、スリット（凹部）３３が設けられる。これにより、回転子１０が傾いたとき、傾き方向の負剛性をさらに低減することができる。 FIG. 15 is an AA cross-sectional view for explaining a bearingless motor according to a sixth embodiment of the present invention. In the above-described third embodiment, the case where the slit is provided in the bearingless motor 1 having one permanent magnet layer has been described. However, this slit is also applied to the bearingless motor having one multilayer permanent magnet layer. It may be provided. For example, with respect to the bearingless motor 1 having three permanent magnet layers, as shown in FIG. 15, the middle permanent of the three permanent magnet layers on the rotor 10 side of the teeth 21-1 of the stator 20. A slit (concave portion) 33 is provided at a position facing the vicinity of the surface on the axial direction side of the magnet layer. Thereby, when the rotor 10 tilts, the negative rigidity in the tilt direction can be further reduced.

図１６は、本発明の第７の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。第７の実施例は、固定子２０の固定子鉄心２１のＺ軸方向の外側両端に、さらなる固定子鉄心の層を設けたものである。すなわち、図１６に示すように、固定子鉄心２１の軸方向の外側両端に、回転子側に突出した補助ティース２３−１が、周方向に複数周設される。ティース２１−１と補助ティース２３−１とはヨーク２３−２によって結合される。補助ティース２３−１およびヨーク２３−２を設けることによりＺ軸方向の磁気回路が増設された形となるので、巻線２２Ｕに電流が流れることによりＺ軸方向に発生する力をさらに大きくすることができる。 FIG. 16 is an AA cross-sectional view for explaining a bearingless motor according to a seventh embodiment of the present invention. In the seventh embodiment, a further stator core layer is provided on both outer ends in the Z-axis direction of the stator core 21 of the stator 20. That is, as shown in FIG. 16, a plurality of auxiliary teeth 23-1 projecting toward the rotor side are provided in the circumferential direction at both ends in the axial direction of the stator core 21. The teeth 21-1 and the auxiliary teeth 23-1 are coupled by a yoke 23-2. Since the auxiliary teeth 23-1 and the yoke 23-2 are provided, the magnetic circuit in the Z-axis direction is added, so that the force generated in the Z-axis direction when the current flows through the winding 22U is further increased. Can do.

図１７は、本発明の第８の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。第８の実施例は、上述の第７の実施例における補助ティース２３−１に巻線（以下、「補助巻線」と称する）２４Ｕを巻回したものである。これにより、巻線２２Ｕに加え巻線２４Ｕにも電流が流れることによりＺ軸方向に発生する力をさらに大きくすることができる。 FIG. 17 is a cross-sectional view taken along line AA for explaining a bearingless motor according to an eighth embodiment of the present invention. In the eighth embodiment, a winding (hereinafter referred to as “auxiliary winding”) 24U is wound around the auxiliary tooth 23-1 in the seventh embodiment. As a result, the current generated in the winding 24U in addition to the winding 22U can further increase the force generated in the Z-axis direction.

図１８は、本発明の第８の実施例によるベアリングレスモータの軸方向の力の発生原理を説明するＡ−Ａ断面図である。 FIG. 18 is a cross-sectional view of the bearingless motor according to the eighth embodiment of the present invention, taken along line AA for explaining the principle of generation of axial force.

ここでは、巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにおいて図示したような向きに電流が流れ、永久磁石１１において図示したような向きに着磁された場合を考える。 Here, a case is considered in which a current flows in the direction shown in the winding 22U and the auxiliary winding 24U and the permanent magnet 11 is magnetized in the direction shown in the drawing.

ギャップＧ１中では、補助ティース２３−１から出た永久磁石１１に起因する磁束は、斜め下方に通過して永久磁石１１に入る。ギャップＧ３および中では、永久磁石１１から出た磁束は、斜め上方に通過してティース２１−１もしくは補助ティース２３−１に入る。また、巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにおいて、図示した向きに電流が流れると、Ｚ方向の向き（図中、細字の破線の矢印の向き）に磁束が発生する。この結果、ギャップＧ１およびＧ３では永久磁石１１により発生する磁束ならびに巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにより発生する磁束は強め合い、ギャップＧ２およびＧ４では磁束は弱め合う。これにより、回転子１０に対し、Ｚ軸正方向に力は発生する。また逆に、巻線２２Ｕおよび補助巻線２４Ｕにおいて、図示した向きとは逆向きに電流が流れると、ギャップＧ１およびＧ３では磁束は弱め合い、ギャップＧ２およびＧ４では磁束は強め合い、これにより、回転子１０に対し、Ｚ軸負方向に力は発生する。 In the gap G <b> 1, the magnetic flux caused by the permanent magnet 11 that has come out of the auxiliary teeth 23-1 passes obliquely downward and enters the permanent magnet 11. In the gap G3 and inside, the magnetic flux emitted from the permanent magnet 11 passes obliquely upward and enters the teeth 21-1 or the auxiliary teeth 23-1. Further, when a current flows in the illustrated direction in the winding 22U and the auxiliary winding 24U, a magnetic flux is generated in the Z direction (the direction of the thin broken arrow in the figure). As a result, the magnetic flux generated by the permanent magnet 11 in the gaps G1 and G3 and the magnetic flux generated by the winding 22U and the auxiliary winding 24U are strengthened, and the magnetic flux is weakened in the gaps G2 and G4. Thereby, a force is generated in the positive direction of the Z axis with respect to the rotor 10. On the other hand, in the winding 22U and the auxiliary winding 24U, when a current flows in the direction opposite to the illustrated direction, the magnetic flux is weakened in the gaps G1 and G3, and the magnetic flux is strengthened in the gaps G2 and G4. A force is generated in the negative Z-axis direction with respect to the rotor 10.

図１９は、本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。また、図２０は、本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータを説明する分解斜視図であって、図１９に示したＡ−Ａ断面で切断した場合を示す図である。第９の実施例は、上述の第８の実施例によるベアリングレスモータ１において、固定子１０に対して回転子を径方向に受動的に磁気支持する受動型磁気軸受３０をさらに備えたものである。上述の第２の実施例について説明したのと同様、回転子１０の回転軸となるシャフト１４の上下両端に、反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）３０が設けられる。受動型磁気軸受３０は、回転子側永久磁石３１と、固定子側永久磁石３２とからなる。回転子側永久磁石３１は回転子１０のシャフト１４の周面に設けられる。固定子側永久磁石３２は、例えば固定子２０が固定されたケース（図示せず）に固定される。回転子側永久磁石３１および固定子側永久磁石３２の軸方向の個数および着磁方向は図示の例に限定されるものではない。回転子側永久磁石３１および固定子側永久磁石３２は、互いに吸引するものでも反発するものでもどちらでもよい。図示の例では反発型の受動型磁気軸受３０を示しており、この場合、回転子側永久磁石３１および固定子側永久磁石３２が図示のように着磁され、回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とがギャップを挟んで径方向に並ぶラジアルギャップで構成する。なお、図示はしないが吸引型の受動型磁気軸受とする場合には、回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とがギャップを挟んで軸方向に並ぶアキシャルギャップで構成する。 FIG. 19 is an AA cross-sectional view for explaining a bearingless motor according to a ninth embodiment of the present invention. FIG. 20 is an exploded perspective view for explaining a bearingless motor according to the ninth embodiment of the present invention, and is a view showing a case cut along the AA section shown in FIG. The ninth embodiment further includes a passive magnetic bearing 30 that passively magnetically supports the rotor in the radial direction with respect to the stator 10 in the bearingless motor 1 according to the eighth embodiment described above. is there. Similarly to the second embodiment described above, repulsive passive magnetic bearings (RPMB) 30 are provided at the upper and lower ends of the shaft 14 that serves as the rotation axis of the rotor 10. The passive magnetic bearing 30 includes a rotor side permanent magnet 31 and a stator side permanent magnet 32. The rotor-side permanent magnet 31 is provided on the peripheral surface of the shaft 14 of the rotor 10. The stator side permanent magnet 32 is fixed to a case (not shown) to which the stator 20 is fixed, for example. The numbers of the rotor-side permanent magnets 31 and the stator-side permanent magnets 32 in the axial direction and the magnetization directions are not limited to the illustrated example. The rotor-side permanent magnet 31 and the stator-side permanent magnet 32 may be either one that attracts or repels each other. In the illustrated example, a repulsive passive magnetic bearing 30 is shown. In this case, the rotor-side permanent magnet 31 and the stator-side permanent magnet 32 are magnetized as shown in the figure and fixed to the rotor-side permanent magnet 31. The secondary permanent magnet 32 is constituted by a radial gap that is arranged in the radial direction with the gap interposed therebetween. Although not shown, in the case of an attraction-type passive magnetic bearing, the rotor-side permanent magnet 31 and the stator-side permanent magnet 32 are configured by an axial gap arranged in the axial direction with a gap interposed therebetween.

図２１は、本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータをベアリングレスファンに適用した場合を説明するＡ−Ａ断面図である。固定子側永久磁石３２は、固定子２０が固定されたケース３４に固定される。シャフト１４にはファン１５が接続される。 FIG. 21 is an AA cross-sectional view for explaining a case where the bearingless motor according to the ninth embodiment of the present invention is applied to a bearingless fan. The stator side permanent magnet 32 is fixed to a case 34 to which the stator 20 is fixed. A fan 15 is connected to the shaft 14.

図２２および図２３は、本発明の第９の実施例によるベアリングレスモータをベアリングレスポンプに適用した場合を説明するＡ−Ａ断面図である。固定子側永久磁石３２は、固定子２０が固定されたケース３４に固定される。シャフト１４には羽根車１５が接続される。ギャップは流体が流れる流路５５となり、流体の入口５６はケース３４のＺ軸方向に設けられ、出口５７はケース３４の径方向に設けられる。また、本発明によれば、軸長の短縮が可能であるので図２３に示すように薄型のベアリングレスポンプも実現可能である。 22 and 23 are AA cross-sectional views for explaining a case where the bearingless motor according to the ninth embodiment of the present invention is applied to a bearingless pump. The stator side permanent magnet 32 is fixed to a case 34 to which the stator 20 is fixed. An impeller 15 is connected to the shaft 14. The gap serves as a flow path 55 through which the fluid flows, the fluid inlet 56 is provided in the Z-axis direction of the case 34, and the outlet 57 is provided in the radial direction of the case 34. Further, according to the present invention, the shaft length can be shortened, so that a thin bearingless pump can be realized as shown in FIG.

図２４は、本発明の第１０の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。図２４に示すように、固定子１０の永久磁石層を多層構造で構成し、回転子２０についてもティース２１−１をＺ軸方向に複数積層してもよい。 FIG. 24 is a cross-sectional view taken along line AA illustrating a bearingless motor according to a tenth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 24, the permanent magnet layer of the stator 10 may be configured in a multilayer structure, and the teeth 20-1 may be stacked in the Z-axis direction for the rotor 20.

図２５は、本発明の第１１の実施例によるベアリングレスモータを説明するＡ−Ａ断面図である。第１１の実施例は、ベアリングレスモータをリニアアクチュエータに適用した場合である。回転子１０のシャフト１４をＺ軸周りに回転可能にかつ軸方向に並進可能に支持する径方向ベアリング３５を、ケース等（図示せず）を介して固定子２０に設ける。回転子１０のＺ軸方向の位置を変位センサ５１によって検知し、巻線２２Ｕおよび２４Ｕにｄ軸電流を適宜流すことによって、回転子１０のＺ軸方向の移動を制御する。また、巻線２２Ｕに流すｑ軸電流を制御することにより回転子１０の回転を制御する。従来のリニアアクチュエータは、Ｚ軸方向の推進用とＺ軸回りの回転用の２種類の巻線を有するが、第１１の実施例によれば、回転子１０のＺ軸方向の推進およびＺ軸回りの回転を１種類の巻線で実現でき、１台のインバータで回転子の軸方向位置の能動制御と回転制御とを実現することができるので、低コストである。 FIG. 25 is an AA sectional view for explaining a bearingless motor according to an eleventh embodiment of the present invention. In the eleventh embodiment, a bearingless motor is applied to a linear actuator. A radial bearing 35 that supports the shaft 14 of the rotor 10 so as to be rotatable about the Z axis and to be translated in the axial direction is provided on the stator 20 via a case or the like (not shown). The position of the rotor 10 in the Z-axis direction is detected by the displacement sensor 51, and the movement of the rotor 10 in the Z-axis direction is controlled by appropriately supplying a d-axis current to the windings 22U and 24U. Further, the rotation of the rotor 10 is controlled by controlling the q-axis current flowing through the winding 22U. The conventional linear actuator has two types of windings for propulsion in the Z-axis direction and for rotation around the Z-axis. According to the eleventh embodiment, the propulsion in the Z-axis direction of the rotor 10 and the Z-axis Rotational rotation can be realized with one type of winding, and active control and rotation control of the axial position of the rotor can be realized with one inverter, so that the cost is low.

１ベアリングレスモータ
１０回転子
１１永久磁石
１２非磁性体物質
１３回転子鉄心
１４シャフト
１５ファン
２０固定子
２１固定子鉄心
２１−１ティース
２１−２、２３−２ヨーク
２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ巻線
２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ補助巻線
２３−１補助ティース
３０受動型磁気軸受
３１回転子側永久磁石
３２固定子側永久磁石
３３スリット
３４ケース
３５径方向ベアリング
５１変位センサ
５２制御装置
５３インバータ
５４電流センサ
５５流路
５６入口
５７出口
１００電動機システム DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Bearingless motor 10 Rotor 11 Permanent magnet 12 Nonmagnetic material 13 Rotor core 14 Shaft 15 Fan 20 Stator 21 Stator core 21-1 Teeth 21-2, 23-2 Yoke 22U, 22V, 22W Winding 24U 24V, 24W Auxiliary winding 23-1 Auxiliary teeth 30 Passive magnetic bearing 31 Rotor side permanent magnet 32 Stator side permanent magnet 33 Slit 34 Case 35 Radial bearing 51 Displacement sensor 52 Controller 53 Inverter 54 Current sensor 55 Current Road 56 Entrance 57 Exit 100 Electric motor system

Claims

A first permanent magnet that is magnetized so as to generate a radially outward magnetic flux with respect to the rotating shaft, and a second permanent magnet that is magnetized so as to generate a radially inward magnetic flux, A rotor having at least one permanent magnet layer in which the first permanent magnet and the second permanent magnet are alternately provided in the circumferential direction;
A stator that is opposed to the rotor in a radial direction with a gap therebetween, and is disposed between each of the teeth, and a stator core in which a plurality of teeth projecting toward the rotor are circumferentially provided. A stator having a wound winding; and
With
The stator is
Auxiliary teeth projecting toward the rotor side at both ends in the axial direction of the stator core, and a plurality of auxiliary teeth circumferentially provided;
A yoke for coupling the teeth and the auxiliary teeth;
Further comprising
At least one of the rotor side surface of the teeth and the stator side surface of the permanent magnet layer has a surface portion that does not oppose in the axial direction;
An axial force is generated on the rotor by the magnetic flux generated by flowing a field current through the winding and the magnetic flux generated by the first permanent magnet and the second permanent magnet. Features an electric motor.

The rotor is
A plurality of the permanent magnet layers are provided in the axial direction,
The electric motor according to claim 1, wherein a nonmagnetic layer made of a nonmagnetic material is provided between the permanent magnetic flux layers adjacent in the axial direction.

The stator motor according to claim 1 or 2 further comprising an auxiliary winding wound around the auxiliary teeth.

The electric motor according to any one of claims 1 to 3 , wherein a concave portion is provided at a position on the rotor side of the teeth facing the vicinity of the surface on the axial direction side of the permanent magnet layer.

Said first permanent magnet and said second permanent magnet, any one of claim 1 to 4 which is provided around alternately circumferentially by pasting on the side of the cylindrical non-magnetic material The electric motor described in 1.

The electric motor according to any one of claims 1 to 4 , wherein the permanent magnet layer further includes a rotor core in which the first permanent magnet and the second permanent magnet are alternately provided.

The electric motor according to any one of claims 1 to 6, further comprising a passive magnetic bearing to passively magnetically supporting the rotor in a radial direction with respect to the stator.

The electric motor according to any one of claims 1 to 7 ,
A displacement sensor for detecting an axial position of the rotor;
A control device that generates a field current command for performing axial position control of the rotor based on position information detected by the displacement sensor and generates an armature current command for rotationally driving the rotor When,
An inverter that converts a direct current based on the field current command and the armature current command and generates an alternating current to be supplied to the winding;
An electric motor system comprising: